C/sells: Keimzellen der digitalen Energiewende - So funktioniert die Energiewende in Deutschlands größter Modellregion - Fichtner
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C/sells: Keimzellen der digitalen Energiewende So funktioniert die Energiewende in Deutschlands größter Modellregion Innerhalb der größten SINTEG- Modellregion Deutschlands demonstriert C/sells mit 56 Partnern aus Wissenschaft, In- dustrie und Netzbetrieb bereits heute, wie die flächendeckende Umsetzung der Energiewende und der Ausbau erneuerbarer Energien großflächig funktio- niert. Dabei entwickeln und de- monstrieren die Projektpartner das Zusammenwirken von so- genannten Zellen des durch die Energiewende vorgezeichneten, zukünftigen Energiesystems. Zellen können sowohl Erzeuger und Netze als auch Verbraucher Abbildung 1: Die C/sells-Leitidee auf einen Blick. Auf diese Weise kommen wir den Energiewendezielen und Speicher umfassen, wobei der Bundesregierung deutlich näher. (Quelle: SmartGridsBW) sich diese in räumlicher Nähe zueinander befinden: So werden möglich macht, was wiederum schaftlich, interoperabel und Die Nutzung erneuerbarer Städte, Quartiere, Straßenzüge eine Voraussetzung für das sicher stattfindet. Hierzu un- Energien ist Fluktuationen un- und auch Areale wie Flughäfen Gelingen der digitalen Energie- terstützt das IIS Energienetze, terworfen, was das Energie- oder Industriegebiete C/sells- wende ist. Energie(dienstleistungs-)märk- system vor neue Herausforde- Zellen darstellen. Ausgehend te und Liegenschaften mit ge- rungen stellt. Die hierzu konzi- von über 30 Demonstrationszel- Das Demonstrationsvorhaben meinsamen Informationen und pierte Abstimmungskaskade ist len entsteht eine Vielfalt zellulär C/sells entwickelt hierzu die Kommunikationstechniken. eingebettet in die Organisation strukturierter Energiesysteme, Blaupause. Das IIS besteht aus Komponen- intelligenter Energienetze, die die durch die aktive Partizipati- ten der Sensorik, der Aktorik, in einer vielfältigen, komplexen on der Beteiligten mitgestaltet Das digitale Energie- des Kommunikationssystems Zellstruktur erfordert, dass die werden. Neben den Demons- system mit C/sells und gemeinsamer Basisdienste, Netze über alle Spannungsebe- trationszellen, die technische wie in Abbildung 2 skizziert. nen hinweg rasch und weitge- Lösungen sowie Marktansätze Drei zentrale Instrumente bil- demonstrieren, laden wir auch den die Grundstruktur des C/sells-Citys ein, sich unserem C/sells-Projekts und stellen zu- Movement anzuschließen. Die gleich seine Verbindungsglie- ersten Kommunen haben be- der dar. Dabei handelt es sich reits ein Memorandum of Un- um das „Infrastruktur-Informa- derstanding unterzeichnet, das tionssystem (IIS)“, die „Abstim- Interesse ist groß. Um die gene- mungskaskade“ und den „regi- rationenübergreifende Aufgabe onalisierten Handel mit Energie der Energiewende effektiv zu und Flexibilitäten“. meistern, bedarf es eines brei- ten Movements innerhalb der Das IIS stellt den Markt- und Gesellschaft. Ein massives Um- Netzakteuren verschiedene In- denken in Bezug auf Gewohn- formations- und Zugriffsdiens- heiten im Umgang mit Energie te mit den dazu erforderlichen oder Energiedienstleistungen Instrumenten bereit, um die ist notwendig, um Reibungs- Optimierung sowohl auf Zelle- verluste bei der Transformation bene als auch im Zellverbund des Energiesystems gering zu zu ermöglichen und einen halten. Die engagierte Teilnah- Marktzugang für Flexibilitäten me einer Vielzahl von Akteuren zu schaffen. Das IIS sorgt dafür, wird eine gesamtgesellschaftli- dass der Informations- und Da- che Bewegung schaffen, welche tenaustausch z. B. zu horizonta- die Energiewende aktiv voran- len und vertikalen Energieflüs- treibt und so die Denkwende sen zwischen den Zellen wirt- Abbildung 2: Zusammenspiel zwischen IIS und der Energieinfrastruktur Ingenieurspiegel 4 | 2017 – 49 –
hend automatisiert kommuni- schränkt. Stattdessen sind sie (z.B. Batteriespeicher speisen unterschiedlicher, parallel exis-
zieren und agieren. Dem Zell- in der Lage, sowohl regional bei geringer Photovoltaik-Er- tierender Märkte mit regionali-
gedanken folgend, gelingt es, Energie und Flexibilität zu kau- zeugung ein), den Strom unter- sierten und nicht regionalisier-
erkannte oder prognostizierte fen und zu verkaufen als auch einander zu handeln (z.B. Ver- ten Produkten.
kritische Netzzustände auto- auf den heute bereits existie- kauf des Stroms an einen Ab-
matisiert sowohl innerhalb der renden, zentralen Märkten zu nehmer im Nachbardorf) oder Die Möglichkeit, trotz der en-
Zelle als auch im Zellverbund handeln und somit Erlöse zu wie bereits heute zentral zu ver- gen regulatorischen Rahmen-
zu beheben. Der kontinuierliche erzielen. Eine Möglichkeit, den kaufen (an der Strombörse oder bedingungen, diese neuen
Austausch von Informationen regionalisierten Handel umzu- am Regelenergiemarkt). Der C/sells-Marktkonzepte in der
zwischen den Übertragungs- setzen, besteht in der Schaf- C/sells-Handel schafft vielfälti- Praxis tatsächlich zu erproben
und Verteilnetzbetreibern zum fung regionaler Märkte (kurz: ge Partizipationsmöglichkeiten und umzusetzen, hat der Deut-
Netzzustand spielt hierbei eine Regiomärkte). Eine weitere, und gibt allen Akteuren im zu- sche Bundestag mit der soge-
Schlüsselrolle. Vor diesem Hin- indem zentrale Märkte um regi- künftigen Energiesystem einen nannten SINTEG-Verordnung
tergrund wurde eine Bewer- onalisierte Produkte erweitert ökonomischen Rahmen. Das geschaffen.
tungslogik des Netzzustandes werden. Ungeachtet der genau- C/sells-Marktdesign berück-
im Form einer Ampel einge- en Ausgestaltung des regiona- sichtigt dabei die Umsetzbar- Dr.-Ing. Albrecht Reuter
führt. Ist die Ampel grün, liegen lisierten Handels steht es den keit der Energieflüsse aufgrund Geschäftsführer Fichtner
keine kritischen Netzzustände C/sells-Akteuren frei, die Netz- physikalischer Netzrestriktio- IT GmbH,
vor. In der gelben Ampelphase betreiber bei Engpasssituati- nen im Rahmen der Ampelpha- Gesamtprojektleiter C/sells
ist ein Netzsegment von einem onen im Netz zu unterstützen sen und die Wechselwirkungen www.csells.net
potenziellen oder tatsächli-
chen Netzengpass betroffen.
In dieser sogenannten Markt-
partizipationsphase können
Zellakteure den Netzbetreibern
Flexibilitäten als Alternative
anbieten und so helfen, kriti-
sche Situationen zu vermeiden.
Schaltet die Ampel auf Rot, ist
die Systemstabilität und damit
die Versorgungssicherheit un-
mittelbar gefährdet. So müssen
bereits heute bei einer Gefähr-
dung oder Störung der Sicher-
heit und Zuverlässigkeit nach
§ 13 Abs. 2 EnWG (rote Am-
pel) Informationen über Re-
dispatch-Kapazitäten automa-
tisiert zur Verfügung gestellt
werden, um Sofortmaßnahmen
einleiten zu können. Die in
C/sells angedachte automati-
sierte, einheitliche Abwicklung
von Maßnahmen zur Sicherung
der Netzstabilität minimiert die
Dauer von roten Phasen.
Partizipation
aller Akteure im
regionalisierten Handel
Der Handlungsspielraum der
C/sells-Akteure ist nicht mehr
auf einen einzigen Fokus be- Abbildung 3: Regiomärkte ermöglichen den intra- und interzellulären Handel von Energie und Flexibilität
Die Energy Storage Europe ist die Fachmesse für die
March 13 – 15, 2018 globale Energiespeicherindustrie und flexible Sek-
torenkopplung mit dem weltgrößten Konferenz-
Düsseldorf, Germany programm zu Energiespeicherlösungen und deren
Applikationen. Die Messe wuchs in 2017 um rund
35 Prozent auf mehr als 4.200 Besucher aus über
www.energy-storage-online.de 55 Ländern. Es präsentierten sich über 160 Aussteller.
– 50 – Ingenieurspiegel 4 | 2017
Translation C/sells: Incubators of the IT-driven Energy Transition How the Energy Transition in Germany's Biggest Model Region Functions Up to the close of 2020, over €100 million of investment financing will stream into the "C/sells" model region in South Germany, with half of this as support funding from the German Federal Ministry of Economics. The incentive program set up by the federal government, named "SINTEG, or Showcase for Intelligent Energy – Digital Agenda for the Energy Transition", paves the way for the digital energy system of the future, which is crucial for realizing the energy transition. C/sells is the biggest of five model regions set up in Germany for this program and covers the federal states of Baden-Württemberg, Bavaria and Hesse. In June 2011, a resolution on the objectives of the energy transition was formally adopted by the Federal German Government. On this occasion, specific milestone targets were also defined that were further developed in several international agreements, for example the COP21 (Conference of the Parties) in Paris. In essence the energy transition entails almost full decarbonization of the infrastructure by mid-century, a complete phase-out of nuclear energy by 2022, and step-by-step conversion of the energy supply structures from a resource-based energy economy using coal, gas and oil to a technically oriented system grounded on the renewable energy sources of solar photovoltaics, wind power, hydropower and biomass. Under the incentive program "Showcase for Intelligent Energy – Digital Agenda for the Energy Transition" (SINTEG), the Federal Ministry of Economics promotes particularly promising projects and approaches for implementing the energy transition. At the start of 2017, the go-ahead was given for five proof-of-concept projects in Germany that are set to run until the end of 2020. The largest of these model regions extends over the federal states of Baden-Württemberg, Bavaria and Hesse, and is designated "C/sells". Coming together in this C/sells project are 56 partners from academia, industry and grid 1
operation who will prepare this €100 million project over four years for its successful expansion into the mass market. The "C" stands for the cells that together make up the entire model region. "sells" refers to the novel business models that lead to new economic structures and commercial opportunities created by the IT-based energy transition. The energy economy will have to adjust to a succession of new players while maintaining a stable energy supply in the face of all changes, volatility and uncertainty. Good opportunities are opening up particularly to those organizations that acquire a grasp of the digitalization mechanisms and integrate these as a core component into their business models. Smart Networking in Tomorrow's Energy System In this model region in South Germany, C/sells is already demonstrating the functioning of blanket area implementation of the energy transition concept and the wider expansion of renewable energy use. To this end the project partners develop and demonstrate the mutual interaction of the so-called cells of the future energy system whose attributes are determined by the energy transition. Cells may comprise not only generators and power networks but also consumers and energy stores, with these in close physical proximity to each other. Thus towns, urban districts, streets and also facilities like airports and industrial zones figure as cells for C/sells. Starting from over thirty demonstration cells, a diversity of energy systems with cellular structures have been created that have been fashioned with the active participation of those involved. Alongside these proof-of- concept cells that demonstrate technical solutions and market approaches, we are also inviting C/sells cities to join our movement. The first communities have already signed memoranda of understanding and interest is high. Effective handling of the intergenerational tasks stemming from the energy transition requires broad-based endeavors by the general public. What is required is to fundamentally rethink engrained practices when handling energy and energy services to minimize frictional losses during transformation of the energy system. In order to pick up on the development wishes and communication needs of the general public, industry and commerce, active outreach is essential. The committed participation of many stakeholders will give rise to a widespread movement throughout society to actively push the energy transition and so make possible the turnaround in thinking which, in itself, is a necessary condition for the success of the IT-driven energy transition. 2
Effective handling of the intergenerational tasks stemming from the energy transition
requires a completely new energy system with smart networks to oversee and manage
automatically the continuously growing share of renewable energies in our power
systems. To this end, the C/sells proof-of-concept project is developing a blueprint for an
energy system that is fit for the energy transition. The solution approach specific for
C/sells, the necessary basic tools, and the locations of its realization that will serve as a
template are depicted in Figure 1.
C/sells- C/sells basic More than 30 demo cells
solution instruments and 9 participation cells
approach
Infrastructure
cellular Information System (IIS)
Participative Harmonization Cascade
diverse Regionalized Trading in
Energy and Flexibilities
Figure 1: The guiding concept behind C/sells at a glance; through this approach we come
significantly nearer to attaining the energy transition objectives set by the German
government (Source: SmartGridsBW)
The Digital Energy System with C/sells
Three pivotal instruments make up the basic structure of the C/sells project while
providing at the same time its interconnecting elements, these being the "Infrastructure
Information System", the "Harmonization Cascade“ and "Regionalized Trading in Energy
and Flexibilities“.
How does communication function in a major project with such a complex organization?
This is where the C/sells Infrastructure Information System (IIS) kicks in. The IIS provides
players in the market and power networks with the various information and access
services plus the tools they need for optimization both on cell level and within the
interlinked cell system while opening up market access to maintain flexibility. The IIS
ensures that the exchange of information and data, e.g. on horizontal and vertical energy
flows between the cells, proceeds economically while at the same time providing
interoperability and security. For this purpose, the IIS backs up the power systems, the
3energy services markets and real estate properties with general information and
communication technologies. The IIS is made up of sensors and actuators,
communication system components and general basic services, as outlined in Figure 2.
€
€ €
Network
Management Registry
Remote
GWA IIS control
Flex register
iMSys CLS-Operator
ICT platform
Figure 2: Interaction between Infrastructure-Information System (IIS) and the energy
infrastructure
The supply from the exploitation of renewable energies is subject to fluctuation, which
presents the energy system with unprecedented challenges. The harmonization cascade
conceived in this connection is embedded within the organization of the smart energy
networks, which in their multi-faceted and complex cellular structure require that they
communicate and respond rapidly and largely automatically across all levels. In line with
the cellular concept, detected or forecast critical network conditions within both the cell
and the interlinked cell system can be rectified. The continuous exchange of information
on network status between power transmission and distribution system operators plays a
key part in this. Against this backdrop, a logical algorithm for assessing this status in the
form of a traffic light system has been adopted. If the traffic light is green the network
status is not critical. A yellow traffic light phase signals that a network segment may be
or is affected by a potential or actual grid bottleneck. During this period, referred to as a
market participation phase, cell players may offer network operators flexible response
options and in this way avert critical situations. If the traffic light switches to red, system
stability and thus security of supply is directly at risk. Already today under § 13 Para. 2
EnWG (German Energy Industry Act), for a risk or fault that could impact security of
4supply and reliability, i.e. a red traffic light, information on redispatch capacities has to be automatically made available so that countermeasures can be promptly taken. The standardized handling of such countermeasures for securing network stability as envisaged in C/sells would minimize the duration of red phases. In this way, unhindered deployment on an equal footing is possible for the diverse responses of the various players, for which the power system operators assume the role of market facilitator by throwing open the network infrastructure to the market on a non-discriminatory basis. Participation of all Players in Regionalized Trading The latitude for action of the C/sells players is no longer focused on just one trading level. Rather they are now in a position not only to buy and sell energy and flexibility regionally but also to trade and so generate revenue in the already existing central markets. One possibility for implementing regionalized trading is to create regional markets. Another is to augment central markets to include regionalized products. Regardless of the actual structure of regionalized trading, the C/sells players would be at liberty to support power system operators in grid bottleneck situations (e.g. battery storage units feed in power if there is a shortfall in photovoltaic generation), undertake mutual trading in power (e.g. selling of power to a consumer in a neighboring community) or, as is already the case, sell power centrally to the electricity exchange or through the balancing power market. C/sells trading creates diverse possibilities for participation and provides all players with a commercial framework under the future energy system. The design of the C/sells market takes into account the feasibility of energy flows on the basis of physical network restrictions in connection with the traffic light phases and the interplay of differing, parallel markets with regionalized and non- regionalized products. Despite the restrictive regulatory framework conditions, the opportunity to actually try out and implement these novel C/sells market concepts in practice has been created by the German Parliament with its SINTEG ordinance. 5
Key
Flexibility
Power system operator
Electricity
Grid bottleneck
Central markets:
Electricity exchange,
Balancing power
management
Regional market Regional market Regional market
Figure 3: Regional markets permit intra- and inter-cellular trading of energy and flexibility
The C/sells Model Region as a Showcase for Smart Energy Supply
South Germany was chosen as a model region for implementing the C/sells project due
to some location advantages and its favorable geographic conditions. The federal states
of Baden-Württemberg, Bavaria and Hesse all fulfill the conditions for providing an
impressive showcase for a "smart energy supply“. This region is predestined to host this
project due it having the highest insolation levels in Germany; its multi-tiered power
network structure with over 420 distribution system operators; the mix of industrialized
conurbations and rural, sparsely populated areas; its citizens, politicians and investors that
are enthusiastic supporters of the energy transition; and its central location in the
European interconnected transmission grid. European projects have been coordinated
with C/sells so that both the advantages of European integration and a multiplicator
effect can develop in neighboring countries, this being at least the intention. The number
of prosumers in South Germany who not only consume power but also generate it
themselves has already reached over 760,000. The structure of the stakeholders covering
all value added stages of the cellular energy system offers ideal conditions for developing
and realizing new cooperation models. Thus C/sells will enable a smooth transition from
proof-of-concept to the mass market while the associated C/sells movement acts as an
amplifying force that springs directly from the general public. This means that a socially-
rooted energy transition in the truest sense of the word will come into being.
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